Атты отындардың эффективті және экологиялық таза газификациялау мәселесінің қазіргі жағдайы.

Ә лемдік отын энергетикалық баланстың ұ зақ мерзімді болжамдарының басым бө лігі кө мірдің 2050 жылғ а дейін сарқ ылатын энергия кө здерінің арасындағ ы ең маыздысы болып қ алатындығ ын айтып отыр. Мә леметтерге қ арағ анда кө мірдің ә лемдік қ оры 1 триллион тонна деп бағ аланылып отыр.

Кө мір электроэнергияның негізгі кө зі болып табылады. Ә лемдегі электроэнергияның 38 % пайыздан кө бі кө мірден ө ндіріледі. Тек қ ана АҚ Ш-тың ө зінде кө мір тозаң ды ЖЭС қ уаттылығ ы 250 миллион кВт қ ұ райды [10]. 1998 жылы осы ЖЭС-терде 854 млн. тонна кө мір жағ ылғ ан. Ал, электроэнергия ө ндірудегі кө мір ү лесі 57 %-ды қ ұ райды. 1.1-кестеде [1] мә ліметтерге сә йкес отындарды тұ тынудың ә лемдік балансы жә не оның 2020 жылғ а дейінгі болжамы кө рсетілген.

1.1-кесте – Ә лемдік отын балансы

1.1-кестеден 2000 жылмен салыстырғ анда 2020 жылы кө мірді тұ тыну 56%-ғ а артуы мү мкін. Отын балансындағ ы кө мірдің ү лесінің артуы энергетикалық эффективті жә не экологиялық таза технологияларды ойлап табу мен оларды қ олданысқ а енгізуді қ ажет етеді. Қ атты отындар мен олардың қ оспаларын жағ у мен термиялық ө ң деудің қ азіргі бар технологиялары отынды қ олданудың эффективтілігі мен энергетикалық объекттердің экологиялық -экономикалық кө рсеткіштерінің заманауи талаптарын қ анағ аттандыра алмайды.

Сапасы тө мен кө мірлерді кө мір тозаң ды қ азандарда жағ у кө птеген қ иыншылық тар тудырады. Ө йткені, отындардың сапасының нашар болуы жалындану процесінің сипаттамаларына, факелдің жануының тұ рақ тануына жә не улы газдар газов (NO_x, SO_x, CO) мен ұ шқ ыш кү л бө лу нә тижесінде ЖЭС-тердің экологиялық -экономикалық кө рсеткіштеріне кері ә серін тигізеді [11].Сонымен қ атар, энергияғ а, ә сіресе кө мірсутекті отындардың бағ алы тү рлеріне тұ тынудың жыл сайын артуы жә не олардың ресурстарының азаюы ғ алымдардың кө мірді жылу энергетикасында жә не химиялық ө ндірісте негізгі шикізат кө зі ретінде қ арастыруына алып келді.

Отын-энергетикалық баланста сапасы тө мен отындардың ү лесінің бірден артуы біздің республикамызда қ атты байқ алғ ан ә лемдік тенденция болып табылады. Қ азақ станда энергетикалық кө мірлердің ү лкен қ орларына ие. Қ азіргі уақ ытта Қ азақ станда жә не ТМД елдеріндегі ЖЭС-тің негізгі отыны тө менгі сапалы кө мірлер болып табылады. Олардың кү лділігі, ылғ алдылығ ы жоғ ары жә не ұ шқ ыштары аз болады. Мұ ндай кө мірлерді қ азіргі пеш қ ондырғ ыларында жағ у жалынданудың нашарлауы жә не зиянды газды бө лінділердің (кү кірт жә не азот оксидтері) артуы секілді кө птеген қ иындық тармен қ атар жү реді.

Жалындануды жақ сарту жә не кө мірдің жануын тұ рақ тандырудың жылу энергетикасында дә стү рлі ә дістері бар: аэроқ оспаны (410 К-ге дейін) жә не екіншілік ауаны (673 К-ге дейін) қ ыздыру, концентрациясы жоғ ары (50 кг/кг-ғ а дейін) кө мір тозаң ын кезекті қ ыздырумен беру жә не кө мірді мазутпен бірге жағ у[15]. Бірақ бұ л ә дістердің кемшіліктері де бар [16; 17]. Аэроқ оспалардың температурасын 410 К-нен жоғ ары жә не екіншілік ауаны 673 К-нен жоғ ары температурағ а кө теру от алғ ыштығ ының ә серінен мү мкін емес[18].

Кө міртозаң ды факелді мазуттық тұ рақ тандыру кезінде дефицидті сұ йық отынның кө п мө лшері жұ мсалады (25 млн. тг/жыл). Бұ л кө міртозаң ды ЖЭС-тердің жылулық қ уаттылығ ының 12 %-дан кө бін қ ұ райды [19; 20].

Дегенмен, қ ымбат жә не кү кірті кө п мазутты мұ ндай масштабтарда қ олдану жылуды тұ тынудың эффективтілігі мә селесін шешпейді. Кө мір мен мазутты бірге жағ у қ оршағ ан ортағ а кері ә серін тигізеді.

Болашақ та мұ най мен табиғ и газдармен салыстырғ анда кө мірдің маң ызының артуын экологиялық сапасы мен меншікті жану жылуы тө мен болса да, химиялық заттардың бай кө зі болып табылады. Комплексті ө ң делуінен кейінгі соң ғ ы ө німдерінің потенциалды спектрі жылу энергетикасында, металлургияда, химиямен қ ұ рылыс ө ндірісінде кең інен қ олданыс табуда.

Осылайша, жылу пайдаланудың қ азіргі ә дістері ө зінің маң ызын жойды. Қ азіргі уақ ытта жаң а, прогрессивті, экологиялық таза технологиялар жасалынуда. Сонымен қ атар, кө мірді жағ уғ а дайындау, жоғ ары ө німділікпен, экологиялық тазалық пен жә неқ ұ рылғ ының салыстырмалы арзандығ ымен сипатталатын плазмалы технологиялар кең таралды[21 - 23].

Кө мірді оптималды қ олдану ү шін оның химиялық қ ұ рамын білу жә не ескеру керек. Кө мірдің табиғ и жолмен ө сімдік негізіндегі органикалық заттардың жай ыдырау ө німі екендігі белгілі[24].

Кө мірдің жасы оның метаморфизм дә режесімен анық талады. Ол келесі ретпен ө седі: торф→ қ оң ыр кө мір→ жалынды кө мір→ газ-жалынды кө мір→ газды кө мір→ майлы кө мір→ кузнечный уголь → тощий уголь → антрацит. Кө мірдің негізгі химиялық элементтері: кө міртек, оттек, сутек, кү кірт жә не азот. Одан бө лек кө мірді келесі қ ұ рам бө ліктердің жиынтығ ы деп қ арастыруғ а болады: байланыстырушы кө міртек (С) + кү лділік (А^с) + ұ шқ ыштар (V) + ылғ ал (W) = 100 %. 1.2- кестеде қ атты отынның органикалық массаның элементтік қ ұ рамы кө рсетілген [25].

1.2-кесте – қ атты отын қ ұ рамы

Кө мір - кү рделі табиғ и қ осылыс. Сондық тан оның қ асиеттері теория арқ ылы толық тай болжанбай, эмпирикалық тү рде сипатталады. Қ азіргі уақ ытта кө мірдің элементтік қ ұ рамын жылулық -техникалық қ асиеттерін анық таудың тексерілген ә дістемелері бар. Кө мірдің жану жылуын Менделеевтың формуласымен анық тауғ а болады [26]:

, (1.1)

Мұ нда C, H, O, S, W – кө мірдің жұ мысшы массасындағ ы кө міртек, сутек, оттек жә не ылғ алдың масс. %) ү лестері.

Кө мірдегі кө міртектің ү лесі оның метаморфизм дә режесі артуымен ө седі: кө мірдің органикалық массасы бойынша қ оң ыр кө мірлерде - от 65 %-дан, антрациттер ү шін -91 %-ғ а дейін. Осы қ атар бойынша, сутек ү лесі 8 - 4 %, оттек ү лесі 30 - 2 % тө мендейді. Азот пен кү кірт ү лесі 0, 5 – 2 % жә не 0, 5 – 3 % аралығ ында ө згереді, ал минералды қ ұ рамдастары – бірнеше ондағ ан процент аралығ ында ө згереді. Кө мірдің органикалық заттары – битумдер, гуминді қ ышқ ыл жә не қ алдық кө мір тү рінде болады. Битумдарды кө мірден еріткішттермен экстракциялау арқ ылы алына алады. Гуминді қ ышқ ылдар сілтілерде ериді. Қ алдық кө мір экстракцияланбайды жә не сілтілерді ерімейді. Гуминді қ ышқ ылдар қ оң ыр кө мірде кө п кездеседі, ал тас кө мірлерде олар жоқ тың қ асы.

Кө мірдің органикалық қ осылыстары жоғ ары молекулалық қ осылыстар болып табылады. Қ оң ыр кө мірде алифатты қ осылыстар кө п болады; керісінше тас кө мірлер негізінен ү лкен молекулағ а біріккен ароматты қ ұ рылымдардан тұ рады. Тас кө мірдегі кө міртектің ароматты атомдардың ү лесі кө мірлену дә режесінің артуымен артады. Жалынды кө мірде 80%-ке дейін болса, антрацитте 100%-ғ а дейін болады. Кө мірлену дә режесі тө мен тас кө мірлер ү шін С: Н атомдық қ атынасы 1: 1 қ ұ раса (бензол мен метилнафталиндегі секілді), антрациттер ү шін бұ л қ атынас 2: 1 ө седі (С₂₄Н₁₂ коронен тө мен молекулалы кө мірсітектегідей).

Кө мірдің қ ұ рылымын анық тау ү шін фенолды гдроксилды топтарды, эфирлі байланыстарды жә не алифатты қ ұ рылымдардың табиғ атын анық тайтын тү рлі химиялық ә дістер қ олданылады. Кө мірдің қ ұ рылымы жайлы кө п ақ паратты гидролиз (су буымен ө ң деу), галогендеу, тотығ у жә не кө мірдің термиялық еструкциясының ө німдерінің қ ұ рамын терең ерттеу кезінде алуғ а болады. Сонымен қ атар, рентген қ ұ рылымдық анализ, ЭПР, ЯМР, ИК, масс-спектроскопия жә не басқ а да физикалық, физико-химиялық зерттеу ә дістері олданылады. Соң ғ ы уақ ытқ а дейін кө мір қ ұ рылымын ямр ә дісімен анық тау ү шін кө мірден экстракция, пиролиз жә не гидрлеу ә дісімен алынғ ан сұ йық фракцилар қ олданылды. Бұ л зерттеулер кө мірдің қ ұ рылымы туралы жанама ақ парат берді. Соң ғ ы жылдары арныйы аппаратура жасалынып, кө мірдің қ атты ү лгілерінің Н¹ и С¹³ ЯМР спектрлері алынды. С¹³ ЯМР ә дісімен тү рлі кө мір ү шін ароматты сақ инағ а кіретін кө міртектің жалпы кө міртекке қ атынасы анық талды. ЯМР Н¹ ә дісімен ароматты α – жә не β -алифатты сутектердің қ атынасы анық талды.

Кө мірдің қ атты ү лгілерін зерттеу ү шін, яғ ни, олардығ ы алифатты, гидроксидтік жә не ароматты сутек атомдарын анық тау ү шін Фурье тү рленуі бар ИК-спектроскопия ә дісі де қ олданылады. Жү ргізілген зерттеу нә тижесінде кө мірдің химиялық қ ұ рылымы туралы келесідей тұ жырым жасалынды. Кө мердің негізгі органикалық массасының негізгі бө лігі – ретсіз қ ұ рылымды ү ш ө лшемді полимер болып табылады. Жә не, онда кеуектерде иммибилизирленген немесе полимер каркасымен донорлы-акцепторлы байланыспен байланысқ ан қ озғ алғ ыш мономолекулалы жә не аз полимерленген заттар бар. Кө мірдің қ атты жә не қ озғ алғ ыш фазалары бір-бірімен алифатты, эфирлі, тиоэфирлі, иминді кө піршелермен байланысқ ан фрагменттерден қ ұ ралғ ан.

1.1 суретте кө мірдің органикалық массасының молекуласының келтірілген қ ұ рылымы кө рсетілген. Бұ л суретте кө мірдің кү рделі қ ұ рылымы жайлы тек кейбір ақ парат беретін кө мір молекуласының фрагменті бейнеленген. Шын кө мір молекуласында мұ ндай мың дағ ан фрагменттер бар.

1.1 –сурет – кө мір молекуласының химиялық қ ұ рылымы.

Ә рбір фрагмент ароматты ядро жә неалифатты перифериялық бө ліктен тұ рады. Ядроғ а кіретін конденсирленген ароматты сақ ина саны кө мердің кө мірлену дә режесіне тә уелді. Кө мірде С = 78 % болса, ядродағ ы ароматты сақ ина саны – 2, 82 % кезінде – 3, 90% кезінде- 4, ал антрицитте ол 12-ге дейін артады. Ароматты сақ инағ а оттек, кү кірт жә не азот кіруі мү мкін. Ә рбір фрагменттің алифатты бө лігі қ ысқ а алифатты тізбектер мен кө піршелерден тұ руы мү мкін. Кейбір ароматты сақ иналар гидрленген жә не гидроароматты қ ұ рылымдар тү зетін болып келеді. СН3 тобының саны СН2 тобымен салыстырғ анда аз. Бұ л С жә не Н-тың ароматты емес атомдары негізінен гидроароматты қ ұ рылымдарда болатынын кө рсетеді. Этиленді қ ос байланыс R₁R₂C=CR₃R₄ топтасуын қ оспағ анда мү лдем жоқ.

Оттек негізінен фенолды гидроксидтік, карбонильді жә не карбоксилді топ қ ұ рамына кіреді. Фенолды гидроксидтік топтардың концентрациясы кө міртектің ү лесі артқ ан сайын азайып, тіпті кө міртек ү лесі 89 % болса да мә ні ө те аз болады. Кө мірде кү кірт ә детте темір дисульфиді, темір сульфаты жә не органикалық темір тү рінде кездеседі. Органикалық кукірт ү лесі жалпы кү кірттің 30-50%-ын қ ұ райды. Кө мер ө ң деуде пириттің жә не органикалық топтардың кү кіртсутек бө ліп ыдырауы секілді кү рделі процестер жү реді. Осы кезде бө лінген кү кіртсутектің кө мердің органталық массасымен жә не кү л компоненттерімен ә серлесуі жә не кү кіртсутектің пиритпен тү рлі реакциялары жү реді. Азот тек кө мірдің органикалық массының қ ұ рамына кіреді. Кү лде кездеспейді. Азотты қ ұ рылымдардың қ ұ рылысы жө нінде тек экстракция, пиролиз, гидрлеу ө німдерінің қ ұ рамы арқ ылы зерттейді. Кө мір пиролизінің сұ йық ө німдерінде Т=770–1370 К кезінде пиридин (C₅H₅N) жә не оның туындылары, анилин (C₆H₅NH₂), пиррол (C₄H₅N), нитрилдер (RCN), карбазолдар, хинолиндер, акридин, индол жә не оның туындылары кездеседі. Газтектес ө німдерінде амин жә не орын алмасқ ан амин топтарының пиролизі кезінде тү зілетін аммиак (NH₃) болады. Кө мірді гидрлеу кезіндегі мә ндер бойынша азот негізінен гетероциклді сақ иналарды немесе екі карбоциклді сақ ина арасындағ ы кө піршелерде болатындығ ы анық талды. Кө мірден азотты заттардың бө лінуі 10 % ұ шқ ыштардың тү зілуінен кейін басталады. Оның негізгі бө лігі ароматты сақ инада, аз бө лігі-бү йірлік тізбектерде кездеседі. Кө мір пиролизінің шайырының негізгі азотты қ осылыстары пиридин, пиррол, нитрил, карбозол, хинолин, индолдар болып табылады. Бө лінген азот мө лшері температурадан,, қ ыздыру жылдамдығ ынан, кө мір типіне тә уелді. Температураны 770К-нен 1170 К-ге кө тергенде ұ шқ ыш кү йде бө лінген азот мө лшері 20-дан 80%-ғ а артады. Коксте қ алғ ан азот жоғ ары температуралы пиролиз кезінде де ү зілмейтін берік байланыстармен байланысқ ан. Бұ л азотты ұ шқ ыш кү йге ауыстыру тек кокстың су буымен немесе оны оттегінде жағ у арқ ылы толық газификациясы кезінде ғ ана мү мкін болады. Кө мір пирлизі кезінде бө лінген ұ шқ ыш азот NH₃, HCN, N₂ тү рінде болады.

Кө мір қ ұ рылымының негізгі ерекшелігі – олардың кеуекті қ ұ рылымы. Жұ мыс нә тижесі бойынша, кө мірде кеуектің ү ш типі кездеседі: микрокеуек (0, 0012-0, 03 мкм), аралық кеуек (0, 03-0, 3 мкм) жә не макрокеуек(0, 3-3 мкм). Микрокеуектердің беті ү лкен болады. Жә не қ ыздырғ анда оларда деструкция ө німдерінің негізгі мө лшері тү зіледі. Аралық кеуектер – оеагенттер мен ө німдердің газды фазағ а ө тетін негзгі аналдар болып табылады. Макрокеуектер саны салыстырмалы тү рде аз. Еркін масса тасымалдауғ а кедергі жасамайтындық тан, олардың рө лі бө лшек диаметрінің эффективті азайтуғ а байланысты.